
2026/02/10 0:39
空が青く見えるのは「レイリー散乱」と呼ばれる現象によります。太陽光が地球大気に到達すると、空気分子や微小な粒子と衝突します。この際、波長が短い青色光は長い赤・オレンジ・黄色の光よりも散乱しやすく、広範囲にわたって散らばります。こうして散乱された青色光は全方向へ再び放射され、地表のどこから見ても空全体が青い色合いで満ちるのです。
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要約▶
Japanese Translation:
地球や他の惑星における空の色は、太陽光が異なるサイズの大気粒子と相互作用する方法によって決まります。
- レイリー散乱(< 1/10 λ)はガス分子(N₂, O₂)を支配し、短波長光を優先的に散乱します。紫色の光子は赤より約10倍多く散乱されますが、人間の視覚は紫色に対して感度が低いため、空は青く見えます。
- 日の出・日の入りでは太陽光線が大気中を約40倍長く通過します。そのためほとんどの青/緑の光子が視線から散乱され、赤みを帯びた空になります。
- ミー散乱(0.1–10 × λ)は、砂やフレア粒子など可視波長に近いサイズの粒子で発生します。これらの粒子は短波長光をより多く吸収し、長波長光を散乱するため、赤/オレンジ/黄といった暖色系が現れます。
- 大きな水滴や結晶(> 10 × λ)、例えば雲中の約0.02 mmの水滴は、多数の微小プリズムのようにすべての可視波長をほぼ等しく反射・屈折させるため、雲は白く見えます。
- 火星の日中空は赤いです。鉄酸化物塵が青/紫光を強く吸収し、散乱される光の大部分が赤/オレンジになるからです。火星の夕暮れ時には、塵が青色光をより前方に散乱させ、赤色光はより大きな角度で散乱されるため、太陽の周りに青い環(ホラ)を形成します。
- 木星の大気では複合的な信号が観測されます:アンモニア氷雲は白く見え、フレアは赤/青のトーンを加え、背景のH₂/Heガスは依然として青色光のレイリー散乱を起こします。
大気中の色分類は、小分子(青/緑)、塵・フレア(波長に近いサイズ)で暖色系、大きな滴・結晶(白/灰色)の3つの領域に従い、レイリー散乱、ミー散乱、および幾何学的散乱という三つの規格で記述されます。吸収は固体粒子では重要ですが、可視光線ではガスにはほとんど影響しません。吸収ピークは紫/UV周辺に現れやすく、これが塵の多い大気を暖色系に見せる理由です。赤外線波長は煙や塵を透過でき、なぜそれらの粒子はレイリー領域に入り散乱が減少し透明度が高まるかを説明します。
本文
空の色は何にすべきか?
私たちが「色」として認識するものは、目に入る光子の波長によって決まります。
ほとんどの場合、複数の周波数を混合した光を受け取り、その混合光を脳が一つの色として解釈します。
地球大気中での光散乱
太陽光が大気に入ると、多くの色はほぼそのまま通過します。
しかし青い光子は窒素・酸素分子によって非常に効率的に散乱されます。これは、これら分子の共鳴周波数が紫–紫外線域に近いためです。散乱は周波数の四乗に比例するため、青(および紫)光は赤よりも約10倍多く散乱されます。
青い光子はすべての方向から目に届くので、空は青く見えます。
なぜ紫ではないか?
私たちの眼は紫への感度が低く、可視光線の高周波域に位置します。もし紫を青と同じように見ることができても、太陽は紫外線よりも可視光線を大量に放射し、また大気中のオゾン層で多くのUVが吸収されるため、空は依然として主に青になります。
夕焼けが赤くなる理由
日出・日没時には太陽光が大気中を長い距離進むためです。
この延長された旅路で短波長(青・緑)の光子はほぼ散乱され、残るのは主に赤色光だけになります。その結果、空は赤みを帯びます。
雲が白く見える理由
雲は可視波長よりもはるかに大きい数多くの小さな水滴または氷晶で構成されています。
各滴はミニチュアプリズムとして機能し、すべての色を多数方向へ反射・屈折します。無数の滴から生じる全波長の重ね合わせが白(あるいは非常に薄い灰色)になるため、雲は白く見えます。
他惑星の空の色
| 大気の種類 | 典型的な色 | 例 |
|---|---|---|
| 小さなガス分子 (N₂, O₂, H₂, He) | 青または青緑 | 地球、天王星、海王星 |
| 埃やハイズ粒子 | 暖色(赤・橙・黄) | 火星(鉄酸化物粉塵)、タイタン(有機ハイザー)、金星(硫酸エアロゾル) |
| 大きな滴/氷晶 | 白/灰色 | 地球の水雲、金星の硫酸雨雲 |
散乱レジーム
| レジーム | 粒子サイズ相対 | 典型的な粒子 | 色効果 | 波長依存性 |
|---|---|---|---|---|
| Rayleigh | ≪ 波長 | ガス分子 | 青/紫 | 短波長を強く好む |
| Mie | ~ 波長 | 埃・ハイズ | 暖色(可変) | 不規則または弱い依存性 |
| 幾何学 | ≫ 波長 | 滴・氷晶 | 白/ニュートラル | ほぼ無視 |
空の色を予測する簡易モデル
- 大気中で支配的な散乱体を特定します。
- そのサイズを可視波長と比較し、上記の散乱レジームに分類します。
- 該当レジームから典型的な色効果を適用します。
この枠組みは、地球の日中空が青いこと、火星の空が赤いこと、そしてすべての雲が白く見える理由を説明します。
さらに学びたい方へ
- NASA の惑星大気における夕焼けシミュレータ
- ドクター・パトリック・アイルウィンによる海王星の真実の青色に関する研究